熱伝導シートのいろいろ

液材，シート材から相変化材まで

熱伝導シートの多様化

電子機器の発熱対策では，発熱源と放熱部材を効率よく結合するために熱伝導シート（TIM）が広く利用されています．かつてはサーマル・グリースが主流でしたが，現在は材料や形態が大きく多様化しています．柔らかいシート材，液状のギャップ・フィラ，固化タイプの接着材，熱を加えると相変化を起こす材料など，用途や構造条件に応じて最適な選択が求められています．

液状材料とシート材の特徴

液状材料にはサーマル・グリースやギャップ・フィラがあります．これらは自動塗布が可能で量産性に優れ，隙間を充填して反力を生じにくいという利点があります．ギャップ・フィラは塗布後に固化するため，隙間に合わせた厚みで安定した熱伝導を実現できます．特にEVバッテリのような大面積用途では大量に使用され，生産量が急速に増加しています．

シート材は管理が容易で一定厚さを確保できる特徴があります．潰して使用する際には反力が発生し部品にストレスを与える可能性があるため，柔軟で低硬度のシートが選ばれることが多いです．BGAパッケージやパワー・デバイスなど，部品の構造によって適材を判断する必要があります．

相変化材料（PCM）の利用

相変化材料（PCM：Phase Change Material）は，加熱すると溶融して界面を満たし，冷却すると固化する性質をもちます．この特性により，初期組立時にはシート状に供給され，通電後に溶融して密着性を高めることができます．ヒートシンクとCPUの間に挟んで使用する例が代表的で，グリースに近い性能をもちながら取り扱いの容易さを兼ね備えています．

材料選定の観点

熱伝導シートや関連材料を選ぶ際には，以下の観点を考慮することが重要です．

1. 使用時の接触圧力を適切に想定する
2. 大面積用途では液状ギャップ・フィラが有効
3. 部品のストレス低減には低硬度シートを検討する
4. 管理の容易さを優先する場合はシート材を利用する
5. 相変化材は組立性と実効性能の両立に有効

熱伝導材料は「熱伝導率」だけでなく「界面抵抗」「接触条件」「応力緩和性能」といった要素に依存します．液状材，シート材，相変化材それぞれに強みがあり，用途に応じて適切に選定することが信頼性の高い放熱設計につながります．

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 1977年 早稲田大学理工学部 機械工学科卒
• 1977年 沖電気工業に入社．電子交換機やミニコン，パソコン，プリンタ，FDDなどの冷却方式開発や熱設計に従事．その後，電子機器用熱解析ソフトの開発，CAD／CAM／CAEおよび統合PDMの構築などを担務
• 2007年　サーマル・デザインラボを設立．上流熱設計と熱解析の両輪による「熱問題の撲滅」を目指し，製品の熱設計，熱対策支援，プロセス改革コンサルティング，研修などを手がける．

著書

1. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. 高密度実装時代の熱設計教科書，トランジスタ技術2020年8月号，CQ出版社．

参考文献

1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［KIT］ミリ波5G対応アップ：ダウン・コンバータ，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【差動信号とその周辺回路設計技術】，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【A-D/D-Aコンバータの使い方】，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．